薛偉辰 陳盛揚(yáng) 胡翔

同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海200092

引言

綜合管廊是指在城市地下建造一個(gè)隧道空間，將電力、通信、燃?xì)?、給排水等市政管線收納其中，實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一管理，是保障城市運(yùn)行的生命線工程。目前，我國綜合管廊施工通常采用現(xiàn)澆和預(yù)制拼裝兩種方式，預(yù)制拼裝綜合管廊是在工廠內(nèi)分節(jié)段澆筑成型，現(xiàn)場采用拼裝工藝施工形成整體的綜合管廊。預(yù)制拼裝混凝土綜合管廊與現(xiàn)澆管廊相比，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，近年來在國內(nèi)發(fā)展較快［1］。

針對(duì)最為常用的箱型截面管廊結(jié)構(gòu)，工程中有四種常見的節(jié)段預(yù)制拼裝方案：整艙預(yù)制拼裝、預(yù)制槽型拼裝、預(yù)制板拼裝和疊合板拼裝。其中預(yù)制混凝土板拼裝綜合管廊將管廊預(yù)制橫向節(jié)段拆分成預(yù)制底板、預(yù)制壁板和預(yù)制頂板等，預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量小、便于運(yùn)輸和吊裝，可以滿足大截面管廊的施工要求［2］。

本文作者所在研究團(tuán)隊(duì)提出了一種預(yù)制混凝土板式拼裝綜合管廊的結(jié)構(gòu)方案，該預(yù)制拼裝綜合管廊由預(yù)制底板、預(yù)制壁板和預(yù)制頂板等構(gòu)件組成，其中預(yù)制底板與預(yù)制壁板采用套筒灌漿連接，預(yù)制頂板與預(yù)制壁板通過現(xiàn)澆混凝土節(jié)點(diǎn)核心區(qū)連接［3］。并針對(duì)上述預(yù)制混凝土板式拼裝綜合管廊，開展了典型節(jié)點(diǎn)足尺模型和整體結(jié)構(gòu)足尺模型的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)［4］，系統(tǒng)研究了預(yù)制混凝土板式拼裝綜合管廊節(jié)點(diǎn)與整體結(jié)構(gòu)的受力性能。為了進(jìn)一步分析關(guān)鍵參數(shù)對(duì)預(yù)制混凝土板式拼裝綜合管廊整體結(jié)構(gòu)受力性能的影響，本文擬在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，開展預(yù)制混凝土板式拼裝綜合管廊整體結(jié)構(gòu)非線性有限元參數(shù)分析。

1 有限元建模

1.1 材料本構(gòu)、單元選取

預(yù)制混凝土板式拼裝綜合管廊整體結(jié)構(gòu)有限元分析模型如圖1所示?；炷羻卧捎肅3D8R

單元，鋼筋采用T3D2單元，模型中混凝土和鋼筋按50mm尺寸進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐??；炷敛捎脫p傷塑性模型，為更好地表現(xiàn)出混凝土材料的塑性損傷特性，模型中設(shè)置了混凝土材料的拉伸損傷和壓縮損傷系數(shù)。鋼筋本構(gòu)采用雙折線模型，各鋼筋屈服強(qiáng)度和彈性模量均根據(jù)試驗(yàn)中鋼筋實(shí)測力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，以更好地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力性能。

1.2 關(guān)鍵問題的處理

預(yù)制拼縫面是預(yù)制結(jié)構(gòu)有別于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的重要特征之一。本文拼縫面的處理采用在對(duì)應(yīng)接觸面上設(shè)置“表面與表面接觸”的相互作用。法向?yàn)椤坝步佑|”，且允許接觸后分離，切向摩擦系數(shù)取0.8，兩側(cè)混凝土與其的界面接觸屬性設(shè)置為綁定。

圖1 綜合管廊整體構(gòu)件有限元模型Fig.1 Finite element model of utility tunnel

2 有限元模型試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)概況

以地下某綜合管廊項(xiàng)目為背景，對(duì)其抗震性能進(jìn)行了研究。試件配筋如圖2所示，試驗(yàn)中預(yù)制管廊由預(yù)制實(shí)心板拼裝而成，側(cè)壁與底板采用套筒灌漿連接，拼縫面位于腋角變截面以上300mm，側(cè)壁與頂板采用核心區(qū)現(xiàn)澆連接。試件所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C40，主要受力鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400。試驗(yàn)中，按照我國《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ 101—96）中規(guī)定的荷載-位移混合控制加載方法施加水平低周反復(fù)荷載。

圖2 試件配筋及試驗(yàn)加載Fig.2 Specimen reinforcement of test loading

2.2 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證本文建立的預(yù)制混凝土板式拼裝綜合管廊非線性有限元分析模型的準(zhǔn)確性，將有限元分析得到的破壞形態(tài)、承載力與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1.破壞形態(tài)

在水平荷載的作用下，預(yù)制管廊的有限元模型與試驗(yàn)試件的整體變形對(duì)比如圖3所示，各試件有限元模型混凝土和鋼筋的mises應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4可知，有限元模型得到的整體變形與試驗(yàn)現(xiàn)象基本一致，整體模型的破壞模式均為壁板與腋角交界處截面受彎破壞。下部拼縫處有明顯的變形，與試驗(yàn)時(shí)實(shí)際觀察到的變形現(xiàn)象基本一致。鋼筋及混凝土的mises應(yīng)力云圖中，在水平荷載作用下，計(jì)算模型受壓側(cè)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，受拉側(cè)縱筋受拉屈服，這與試驗(yàn)中觀測到的試件破壞形態(tài)基本一致。

圖3 綜合管廊試驗(yàn)和有限元變形Fig.3 Comparison of finite element and experiment deformation of utility tunnel

圖4 混凝土和鋼筋Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.4 Mises stress of concrete and reinforcement（unit：MPa）

2.承載能力

從圖5和表1可知，有限元計(jì)算得到的管廊試件的骨架曲線與試驗(yàn)所得的骨架曲線總體形狀及變化趨勢相近。有限元分析得到的峰值荷載和試驗(yàn)得到的峰值荷載基本一致，與試驗(yàn)值相比，峰值荷載相差在4.2%以內(nèi)。所以本文建立的預(yù)制混凝土板式綜合管廊非線性有限元分析模型計(jì)算得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，該模型可用于預(yù)制混凝土板式綜合管廊的全過程有限元分析。

表1 綜合管廊下部節(jié)點(diǎn)試件水平承載力Tab.1 Horizontal bearing capacity of joint specimen in lower part of utility tunnel

圖5 試件骨架曲線Fig.5 Skeleton curves of the specimen

3 有限元參數(shù)分析

基于前一節(jié)建立的預(yù)制混凝土板拼裝綜合管廊整體有限元模型，分析了有無腋角、拼縫位置、底板預(yù)制構(gòu)造等因素對(duì)管廊整體結(jié)構(gòu)受力性能的影響，為進(jìn)一步開展預(yù)制混凝土板拼裝綜合管廊整體試件的試驗(yàn)研究提供設(shè)計(jì)建議。綜合管廊整體試件有限元模型參數(shù)見表2。

表2 試件參數(shù)Tab.2 Specimen parameters

3.1 有無腋角

綜合管廊節(jié)點(diǎn)的腋角能夠增強(qiáng)管廊結(jié)構(gòu)角部抗彎性能并推遲管廊四壁的開裂，腋角對(duì)試件的強(qiáng)度、剛度和變形能力有顯著影響，為此本文對(duì)預(yù)制混凝土板式拼裝綜合管廊整體結(jié)構(gòu)有腋角（PT1）和無腋角（PT2）進(jìn)行有限元分析。得到整體管廊有無腋角下的混凝土及鋼筋應(yīng)力云圖以及荷載-位移曲線，如圖6、圖7所示。

由圖6可知，在水平荷載的作用下有無腋角試件的破壞模式均為壁板與底板拼接處受彎破壞。二者混凝土和鋼筋應(yīng)力云圖較為相似，均在左右兩側(cè)壁板上部出現(xiàn)應(yīng)力最大值。但有腋角試件混凝土和鋼筋應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在壁板與腋角交界區(qū)域附近，無腋角試件混凝土和鋼筋應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在壁板與頂板交界區(qū)域附近。

圖6 有無腋角構(gòu)件應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.6 Mises stress of concrete and reinforcement with or without haunch（unit：MPa）

由圖7可知，開裂前，腋角對(duì)試件剛度的影響不大，試件的荷載-位移曲線基本重合；開裂后，腋角的取消會(huì)降低節(jié)點(diǎn)的剛度，但不同試件的荷載-位移曲線仍具有基本相同的變化規(guī)律。腋角的取消使試件的承載力下降了13%，并且使得試件峰值位移顯著變大。

圖7 有無腋角骨架曲線Fig.7 Load-displacement curves with or without haunch

3.2 底板構(gòu)造形式

預(yù)制混凝土板式拼裝綜合管廊可以采用底板預(yù)制的構(gòu)造形式也可以采用底板現(xiàn)澆的構(gòu)造形式，其中底板預(yù)制形式拼縫位于底板上表面以上500mm或300mm，底板現(xiàn)澆形式拼縫位于底板上表面。針對(duì)預(yù)制混凝土板拼裝綜合管廊底板預(yù)制（模型PT1）、底板現(xiàn)澆（模型PT4）這兩種試件進(jìn)行了有限元分析。得到不同預(yù)制構(gòu)造模型的混凝土及鋼筋應(yīng)力云圖以及荷載-位移曲線如圖8、圖9所示。

圖8 不同預(yù)制構(gòu)造構(gòu)件應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.8 Mises stress of concrete and reinforcement for different prefabricated construction models（unit：MPa）

圖9 不同預(yù)制構(gòu)造骨架曲線Fig.9 Load-displacement curves for different prefabricated construction models

由圖8可知，底板預(yù)制試件和底板現(xiàn)澆試件的混凝土和鋼筋應(yīng)力云圖較為相似，均在左右兩側(cè)壁板上部出現(xiàn)應(yīng)力最大值，且在各自的拼縫位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。由圖9可知，與底板預(yù)制試件相比，底板現(xiàn)澆試件的承載能力降低了27%，底板現(xiàn)澆試件的峰值位移顯著增大，試件荷載-位移曲線較為平緩，下降段不明顯。開裂前不同預(yù)制構(gòu)造試件的剛度差別不大，荷載-位移曲線基本重合；開裂后，底板現(xiàn)澆試件的剛度明顯低于底板預(yù)制試件；底板預(yù)制試件的荷載-位移曲線后期承載力下降明顯，但底板現(xiàn)澆試件后期承載力下降十分緩慢。

3.3 側(cè)壁與底板拼縫位置

對(duì)于預(yù)制混凝土板拼裝綜合管廊整體試件，在相同荷載作用下不同拼縫位置的彎矩、剪力有所不同，因此拼縫位置的不同對(duì)管廊整體結(jié)構(gòu)的受力、變形有所影響。本文針對(duì)預(yù)制混凝土板拼裝綜合管廊拼縫在底板上表面以上500mm（模型PT2）、拼縫在底板上表面以上300mm（模型PT3）這兩種試件進(jìn)行了有限元分析。不同拼縫位置模型混凝土及鋼筋應(yīng)力云圖如圖10所示，荷載-位移曲線對(duì)比如圖11所示。

圖10 不同拼縫位置構(gòu)件應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.10 Mises stress of concrete and reinforcement for different stitching locations（unit：MPa）

圖11 不同拼縫位置骨架曲線Fig.11 Load-displacement curves for different stitching locations

由圖10可知，兩個(gè)整體模型的破壞模式均為壁板與腋角交界處截面受彎破壞，下部拼縫處有明顯的變形。不同拼縫位置試件的混凝土和鋼筋應(yīng)力云圖較為相似，均在左右兩側(cè)壁板上部出現(xiàn)應(yīng)力最大值，且在各自的拼縫位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。由圖11可知，開裂前，不同拼縫位置試件的剛度差別不大，荷載-位移曲線基本重合；開裂后，拼縫位于底板以上500mm試件的剛度稍高于拼縫位于底板以上300mm試件，但其荷載-位移曲線仍具有基本一致的變化規(guī)律。不同拼縫位置試件峰值承載能力相差不大，差值在8%以內(nèi)。

4 結(jié)語

通過有限元分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證，研究了有無腋角、底板預(yù)制和現(xiàn)澆構(gòu)造、側(cè)壁與底板拼縫位置對(duì)預(yù)制混凝土板式拼裝綜合管廊整體結(jié)構(gòu)受力性能的影響。有限元分析結(jié)果表明：

1.腋角的存在可以顯著提高試件的極限承載力，提高約13%。開裂前腋角對(duì)試件剛度的影響不大，開裂后腋角的存在會(huì)增加試件的剛度。

2.對(duì)于綜合管廊整體結(jié)構(gòu)，底板構(gòu)造的不同對(duì)試件的受力和變形影響較大。與底板預(yù)制試件相比，底板現(xiàn)澆試件的承載能力降低了27%，

開裂前不同預(yù)制構(gòu)造試件的剛度差別不大，荷載-位移曲線基本重合；開裂后，底板現(xiàn)澆試件的剛度明顯低于底板預(yù)制試件。

3.對(duì)于綜合管廊整體結(jié)構(gòu)，拼縫位置的改變對(duì)綜合管廊節(jié)點(diǎn)和整體結(jié)構(gòu)的極限承載力影響不大，極限承載力相差不超過8%。不同拼縫位移的綜合管廊整體結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線基本重合或具有基本相同的變化規(guī)律。